零点、极点以及用零点抵消极点的实例

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零点、极点以及用零点抵消极点的实例

2024-07-12 09:20| 来源: 网络整理| 查看: 265

传递函数是复频域内,输出响应的拉普拉斯变换与输入激励的拉普拉斯变换的比值。在求传递函数时,有一个条件限制,就是初始条件为零。很多人并不会重视这个条件,但是想要使用叠加定理,初始条件为零,是必须满足的。

零点,是传递函数的分子为零的点,从数学上来说,传递函数分子为零,那么分数就为零,而Vout(s)=H(s)*Vin(s),那么输出也为零,但是伯德图上却不是零。注意,拉普拉斯变换的s是复数,s=σ+jω,但是当绘制伯德图时,是令s=jω,然后绘制的传递函数的幅频曲线和相频曲线,也即是说只考虑了虚部,并没有考虑实部。

那为什么可以在绘制增益曲线的时候使用s= jω呢? s=σ+j0=σ时,exp(s)是指数函数;而在s=0+jω=jω时,exp(s)是正弦函数。而伯德图是假设输入为正弦信号,当频率变化时,幅值和相位的变化,所以是使用s= jω。综合起来,零点的时候,输出不为零。

来看一个单零点的实例。近似的描述,在零点处fz,幅度增益增加3dB,相位超前45度,在零点之后,幅度增益的增长斜率为20dB/10倍频程,或者说6dB/倍频程。增益增加是从fz/10频率点开始,此时相位开始超前;到fz频率点时,增益增加3dB,相位超前45度,增益到10*fz时,相位超前90度。此后,增益继续增加,而相位近似不再变化。

再看一个单极点的实例。近似的描述,在极点fp处,幅度增益减少3dB,相位滞后45度。相位从fp/10的频率点处开始滞后,在fp频率点处滞后45度,在10*fp频率点处,相位滞后90度,之后近似不再变化。

以上这些是零点和极点的一些基础知识。对于n阶极点和零点,就继续叠加即可。

接下来看一个简单实用的零点补偿极点的例子。在I-V转换电路中,通常需要在反馈电阻RF上并联一个小电容CF,防止输出端连接容性负载时发生振荡。如下图所示,CL和RL用来模拟连接负载。增加电容后,传递函数为H(s)=-RF/(1+s*RF*CF),直流增益是160dB,即20*log(100Meg)。当频率逐步增大时,增益开始衰减,并且相位开始滞后。

这样,这个I-V转换电路用于直流测量是没有问题,但是用于交流测量,频率增大时,就会产生误差。当电阻很大时,CF可能是电阻两端的等效电容(这里为了方便演示,CF取值比较大)。

这时,就需要抵消掉这个极点。如下图所示:

由CC和RC构成一个零点,用于补偿这个极点。可以看到,补偿后,交流频率一直到1kHz时,增益都没有发生变化。但是增益曲线大约在10kHz之后,出现谐振峰值,也就是说,时域会出现振铃或者小幅的高频振荡。在时域仿真一下有补偿和无补偿的对比波形如下。

 

可以看到,使用零点补偿掉极点之后,在1kHz的输入电流时,输出幅值正常,输出相位也没有发生变化,只是在开始的几个周期,幅值上叠加有小幅的振铃。

而没有补偿掉极点的输出,衰减严重,且发生了相移。这与频域的仿真结果是对应的。在这个电路中,零点补偿抵消极点,就提高了输入信号的频率,但是输出的振铃就无法消除,所以后级电路必要时就需要增加滤波电路,截止频率低于I-V转换的幅频特性的谐振峰值频率,来衰减掉放大信号中叠加的振铃或者小幅振荡。这也是一些使用精密I-V转换电路的仪器的常用手段。

理想的元器件是不存在任何寄生参数的,但是现实毕竟是现实,每一种元件都有它的寄生参数,是无法消除的。这时候,就需要用各种方法,抵消掉这些寄生参数的影响。

这里留一个疑问,为什么理论分析的传递函数,H(s)=-[RC+RF*(1+s*RC*CC)/(1+s*RF*CF)],在RC*CC=RF*CF时,H(s)=-(RC+RF),是完美的不受频率的影响,但是仿真在高频段还是会受到频率的影响,而且幅频特性曲线上还出现了谐振峰,为什么?



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